iPad2也成无尽陷阱？移动GPU构架全揭秘
前言：在上周的显卡探索与发现节目中，我们已经初步了解了Tegra2的Geforce ULP以及SGX Series5系列构架的基本特点，并且进行了采用上述构架的iPad，iPad2以及Xoom三者的基本3D性能测试，相信大家对这两款构架的基本3D性能和特点已经有了一个大致的概念。本期探索与发现节目中，我们除了要深入Geforce ULP和SGX Series5的构架细节，了解他们的弱点和缺陷，针对3D及flash性能等其他移动设备敏感应用进行讨论之外，还会根据这些细节深入的探讨一些关于他们背后更加核心的问题，比如说——伴随着iPad2的发布，我们是不是正在踏进另外一个比特效画质更加惊悚的无底陷阱呢？
绑好你的安全带吧，请相信我，这又将是一次头脑风暴般的阅读之旅。
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● 我能搞定Flash硬解……么？
Flash拥有占用空间小、因为面向对象编程而产生的极大的使用便利性以及广泛的浏览器支持度等特点，因此被广泛的使用在在线播放器，嵌入式网页广告以及动画播放领域。现代网页上大量采用Flash动画，有时一个网页上甚至可能会同时出现大大小小十几个Flash窗口。
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Flash Player软件
由于Flash大量采用Vector（向量数据）进行图像处理，因此对硬件的运算能力，尤其是向量吞吐能力有不小的压迫。acfun或者bilibili之类在线视频类网站所播放的视频允许通过Flash加载玩家评论，实现与视频同步播放的“弹幕”效果，这类对向量操作使用到极致的Flash应用经常会将台式电脑的CPU，甚至是I7都“逼疯掉”，难怪有好事的玩家会将很多弹幕密集的bilibili视频作为测试CPU性能的一种手段。
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bilibili截取下来的弹幕
这种对向量性能的压榨即便放在桌面平台的通用处理器上都已经难以承受了，如果把它交给需要时刻注意功耗问题而不得不牺牲性能的SoC CPU，这可以说根本就是一个不可能完成的任务。因此，摆在手机及平板电脑面前唯一的选择，就是放弃通用性的原则，将这些向量运算任务交给专门的单元来完成。
● Tegra2的软肋
采用Tegra2的诸多手机及平板电脑刚出现的时候，最让用户关心的便是这些平板电脑的Flash硬件加速性能。从NVIDIA公布的构架细节来看，Tegra2是拥有硬件加速Flash的能力的，异构设计的Geforce ULP将传统桌面Geforce构架的ROP单元进行了拆解，从中分离出了独立的可编程混合单元PBU（Programmable Blend Unit），通过他来完成硬件Flash加速的工作。由于安卓系统运行在JAVA Dalvik虚拟机环境下，NVIDIA甚至利用JAVA Dalvik先天的多线程优势为Flash应用开辟了独立的线程，这样Geforce ULP的异构构架可以更好的配合CPU，充分发挥并行处理能力。
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Tegra2的硬件Flash加速
然而，在实际应用过程中，大部分用户发现使用Tegra2的手机和平板电脑产品都没有达到NVIDIA官方宣称的流畅无压力的硬解Flash水平，某些场合下Tegra2平台的手机似乎可以完美流畅播放甚至是bilibili弹幕级得Flash应用，但大多数时候采用Tegra2的手机和平板电脑在遇到多Flash应用时或多或少的都会存在拖帧等不流畅的问题。这是为什么呢？
答案其实并不复杂——因为Flash player 10需要处理器提供支持neon指令集。
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含有neon指令集的A8处理器
neon指令集是ARM构架下的一组SIMD浮点指令集，主要用于Vector指令的并行吞吐及加速执行，简单地说neon就是ARM CPU的SSE指令集。根据Adobe及NVIDIA公布的细节，Flash的硬件加速需要CPU对Vector指令进行吞吐以及解析，在完成编码、滤镜、对象以及材质确定等基本风格处理之后才能交由Geforce ULP进行处理。如果没有neon指令集的加速，ARM CPU以纯通用处理的形式完成上述指令的吞吐不仅极其缓慢，而且会极大地增加系统的功耗。
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Tegra2的Flash处理流程
不巧，Tegra2构架的Cortex A9处理器，忘记把neon指令集带在身上了。
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Flash Player10.2的要求
失去了neon指令集的支持，不仅Flash的硬解会受到影响，其他需要大量Vector吞吐的场合，比如高清视频的播放等都会受到极大地影响，这使得Geforce ULP的异构设计所产生的优势被极大的削弱甚至完全抵消。PBU可以高效同时低耗的解决Flash加速问题，VDP和VEP芯片也可以很好的完成视频加速，但如果没有neon指令集，这些单元的特性基本上都无法得到完全的发挥。而一般用户并不知道也无需知道这些细节，他们只会埋怨NVIDIA没有提供最为优秀的产品，这使得Geforce ULP乃至整个Tegra2构架的最终性能都蒙上了一层阴影。
● Imagination虽好，但光有“想象力”还不够
neon指令集的缺失让Geforce ULP的最终性能受到了很大的影响，那么作为竞争对手的SGX Series5系列构架就完美无瑕无懈可击了么？显然不是。作为GPU构架，SGX Series5系列的缺陷不仅比Geforce ULP更加致命，而且甚至还可能会导致一场波及整个手机及平板电脑界得巨大灾厄。
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Z culling过程
这还不是最恐怖的事情，更加惊悚的是，SGX Series5系列的缺陷，竟然就是Power VR构架最引以为傲的技术特色——TBDR。
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TBDR技术说明
TBDR全称Tile-based Deferred Rendering，它是Power VR独特的TBR技术的一种延伸实现手段。TBR/TBDR通过将每一帧画面划分成多个矩形区域，并对区域内的所有像素分别进行Z值检查，在任务进入渲染阶段之前就将被遮挡的不可见像素剔除掉。由于在渲染之前进行Z-culling操作，这种充满想象力的做法极大地，甚至可以说海量的削减了最终被渲染像素的数量，不仅大幅降低了系统对像素的处理压力，更极大的节约了显存带宽及空间的开销。http://2d.zol-img.com.cn/product/64_500x2000/773/ceKeTiKzGnQIA.png
TBR技术对显存的节约
也许屏幕前的你可能会问我——这不是个好技术么？又是削减工作压力又是降低显存开销的，你怎么危言耸听说它是个致命缺陷啊？
● 优秀的差劲技术
对于常规的光栅化过程来说，TBR/TBDR会带来诸多的问题。包括深度检查耗损、频繁的Z读取、Tiles划分带来的纹理重复读取、多边形数量上升之后的scene buffer溢出等等。
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Z Occalusion检测软件——VillageMark
尽管TBDR不再像传统的TBR那样需要通过CPU来进行Z值检查，但是TBDR过程需要对画面内所有的像素进行一次“额外”的load过程，这个过程本身无论从哪个角度来讲都是与节约显存带宽背道而驰的，尤其是在复杂度极高但Z-Occlusion（Z闭塞）并不严重的场景中更是如此。另外，尽管对画面的矩形划分越细密，GPU对像素进行Z判断的效率和准确率越高，但TBDR过程对画面的矩形切割非常机械，这种划分经常会导致很多多边形和纹理被Tiles所切割，这些多边形和纹理都必须经过2次甚至4次读取才能保持自身形态的“完整”，这无疑加重了几何和纹理处理过程的负担。如果场景的多边形数量较多，这种切割还会导致scene buffer被快速的消耗殆尽，scene buffer的溢出会直接导致Z判断延迟的急剧增大，这对整个处理过程的影响是巨大的。
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割裂多变性过程
通俗的说，TBDR需要在屏幕上画很多很多的小格子，然后把格子里的所有像素都拿出来做某种检查，没通过检查的“坏”像素就会被丢掉。尽管丢掉这些没通过检查的像素可以让后面的工作量减小，但这个检查本身对渲染没有任何意义，所以没有被丢掉的像素就相当于走了一遍无用的过场。与此同时，划分小格子的过程会切坏很多多边形和纹理，想要让这些多边形和纹理能够从“误伤”中幸存下来，你切了它们多少刀就要重新读取它们多少次。如果多边形本身就很多，被误伤的概率就更大，这会使得系统的某种缓存被快速消耗干净，缓存没了，系统干什么都不可能快得起来。
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scene buffer溢出导致的错误图像
在这些环环相扣的问题的综合影响之下，拥有极高理论性能的SGX Series5系列在实际表现中却并不亮眼，我们上一篇探索与发现节目的测试环节实际上已经将问题表现出来了——尽管SGX543MP2拥有吞吐shader更加高效的USSE单元，4倍于Geforce ULP的理论性能以及双倍的显存带宽，但实际表现却远远未能达到这一数值，如果SGX543MP以单芯片的形式登场，最终的性能甚至可能会负于竞争对手。在大多数常规场合中，SGX Series5系列的理论性能都要除以一个2左右甚至是3的“景深系数”才能得到最终的真实性能，换句话说，正常情况下的SGX Series5系列只能表现出理论性能一半左右的实际性能。拥有如此强悍的理论性能以及更大的显存带宽的“能够节约显存带宽”的构架最终却只能有这样的表现，我想包括Imagination自己在内的大多数人此时此刻都不知道该用怎样的表情去面对了。
● 善恶树上的智慧果
既然效率有问题，而且这种问题在短时间以内甚至可以说永远都没办法解决，那该怎么办呢？
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神创造的伊甸园
神在伊甸立了一个园子，使各样的树从园子的土里长出来，树华贵美丽，其上结满了可以作为食物的甘美果子，伊甸园中有一棵名为善恶树，所结的果实名为智慧果，智慧果可以让人与神一样获得智慧，神对伊甸园中的居民说，你们不可以吃这果子，它会为你们带来灾厄。
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偷吃善恶树上的智慧果的夏娃
一个名叫Imagination的孩子行走在伊甸园中，他想获得智慧，他看善恶树上的智慧果比其他果实都漂亮，也便没有多想，将智慧果摘了下来，但又畏惧神的话，因此不敢吃它。善恶树的名字，叫桌面领域，而这颗智慧果的名字，叫multi-core。
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SGX543MP构架
从SGX543开始，SGX Series5系列系列构架均支持多核心并联扩展模式，以SGX543为例，它支持2至16核的弹性扩展，我们可以方便地将之理解成为桌面的SLI/CrossFire，这种方式会将所有流水线任务平均发放给扩展的每一个核心，已达到性能快速提升的目的。这么做看上去很美，通过简单的多核互联，我们能够轻松的获得更强劲的性能，TBDR纵使效率再差，也可以轻松的通过多核倍增的性能提升掩盖过去。但实际上呢？
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苹果A5处理器集成了SGX543MP2
相对于移动领域来说，桌面领域的绝对性能以及性能增长速度一直都是甜美的诱惑，能够贴近摩尔定律的实现性能提升对任何应用来说都是梦寐以求的事情。但问题是移动领域的应用环境不同于桌面，我们曾经提到过，只要有电，桌面GPU不考虑成本甚至可以做到脸盆大，所以我们可以见到诸如HD6990或者GTX590之类的拥有惊人功耗的性能怪兽，但手机和平板电脑可以么？
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GTX590显卡
因为设备体积以及电源的限制，手机及笔记本显示芯片显然需要极其小巧和低功耗的设计才能满足需求。通过简单粗暴的堆叠方式来进行性能延展，用桌面的方式去思考移动领域的问题，显然是很愚蠢的。依旧以SGX543MP2为例，这颗GPU的芯片面积甚至超过了Tegra2整颗SoC芯片面积的两倍。简单延展会导致构架最终向巨型化方向发展，在获得性能的同时彻底丧失体积以及功耗等SoC领域非常敏感的特性。换句话说，这种将桌面的思维和解决问题的方式盲目的引入到移动领域的做法，只能带来灾厄和诅咒。
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移动设备对功耗和体积的特殊要求
不对啊，如果这种方式真的有错，那受到惩戒的自然是Imagination自己，手机及移动厂商又不是傻子，如果Imagination的产品有问题，不选它不就完了，它怎么可能是灾厄或者诅咒呢？
因为这个名叫Imagination的孩子，把智慧果塞给了另一个名叫Apple的傻孩子，Apple见果实悦目，便毫不犹豫的吃了下去，接着便生下了一个名叫iPad2的子孙，灾厄也便就此开始了蔓延。
● iPad2释放的灾厄
iPad2在硬件方面选择了SGX543MP2，这使得iPad2成了目前为止显示性能最强的平板电脑产品。在绝对3D性能方面，无论是呼声最高的Xoom还是其他已经发售的Tegra2产品都无法与之相提并论。
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凭借IOS的封闭性所带来的针对性极强的优化，Imagination长期在SoC领域积累的优秀的电源管理经验以及苹果对Flash不支持所带来的先天“优势”，iPad2不仅没有在常规应用中将SGX543MP2的芯片尺寸过大以及相对较高能耗的问题暴露出来，相反还经常能够在各种续航环境测试中击败经验并不丰富的NVIDIA。
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iPad2的待机性能非常强悍
安卓平台为开放性而不得不采用的JAVA Dalvik虚拟机环境在这个时候也不失时机的跳出来拖NVIDIA的后腿，JAVA Dalvik虚拟机环境最大的特点就是其硬件无关性，这使得安卓系统能够最大限度的对各种形式的硬件进行兼容以保持其“完美的开放性”，当然代价也就是几乎所有硬件的性能都无法得到充分发挥。在非针对性的环境下，任何硬件都无法取得最高的性能功耗比，这进一步影响了NVIDIA在SoC GPU竞争中的表现，同时甚至还在一定程度上影响了采用安卓搭配Tegra2方案产品的用户体验度。
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JAVA Dalvik虚拟机环境
绝对3D性能输，常规续航输，用户体验也赢不了，还因为自己的原因把至关重要的neon也落在家里了，尽管更小的芯片面积能够为NVIDIA带来更加丰厚的利润，但Tegra2在实际性能领域的表现肯定会对厂商的选择产生影响。如果NVIDIA想要获得更多厂商的青睐，或者说不想被清理出这个领域的话，它就只剩下一种表达方式可供选择了——愤怒的反击。
● 快看那几头红眼的公牛
受了刺激的NVIDIA对包括Imagination在内的竞争对手们做出了最符合其锐意进取形象的回应——在公布的roadmap上，计划中的Tegra3拥有了极其恐怖的硬件规格。代号KAL-EL的Tegra3拥有4核心CPU，支持neon指令集，12ALU的GPU能够达到Geforce ULP性能的3倍，甚至可以输出最高至1920X1200的屏幕。这份充满了火药味的roadmap仿佛就是吹响的号角，NVIDIA希望通过Tegra3向所有竞争对手及厂商表明自己的态度——我的产品才是世界上最快的手机及平板电脑显示解决方案。
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Tegra发展路线图
而Imagination也不示弱，除了继续升级现有的SGX Series5系列构架，在NVIDIA面前摆出SGX544MP1~16以及SGX554MP1~16这些怪物级的多重互联芯片之外，还积极准备着下一代的SGX Series6系列构架，通过对TBDR以及USSE单元的进一步升级来扩大自己在理论性能方面的领先优势。Imagination的PDF显示，其未来USSE单元的浮点吞吐能力将两倍于现在的USSE2，而TBDR也通过结合复杂的分割管理改进等手段提升到了翻倍的水准。PDF同时还显示，Imagination在未来依旧会将multi-core和multi-thread作为发展的重要方向，换句话说，SGX6XXMP1~16这种怪物在未来依旧会充斥在市场上。
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SGX发展路线
甚至连沉寂了一段时间的高通也通过新一代Adreno来凑一份热闹了，根据高通密集的roadmap显示，其28nm的Adreno 305将提供第一代Adreno六倍以上的性能，而四核版的Adreno 320更是能够将这一数值提升至15倍之多。尽管我们尚不知道新一代Adreno构架的具体细节，但从数字上来看，新一代Adreno构架将同样会是一个理论性能异常强劲的图形构架。
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高通Adreno路线图
恩，好样的，都去拼硬件了，移动GPU领域繁华锦簇，一片灿烂碰撞的火花，大家辛勤耕耘，各个都在挥汗如雨的用桌面领域的思维方式搞着移动图形构架。电没了骂电池厂商，骂完了没用就去骂fab，还没用就去骂物理学，最后还不忘指责一下系统不利，总之就是出了问题都是别人的错，跟自己完全无关。
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28nm ARM SoC晶圆
“好吧，没有提供核动力电池是电池厂商的不对，没在2011年第二季度造出2nm的电路是fab的不对，没有为前面两位提供必要的理论依据和技术储备作支撑是物理学的原罪，我们知道错了，请你们诸位都消消气，麻烦你们先忍一忍把用户体验度的问题解决一下吧。”
“什么？用户体验度？那与我们有什么关系啊？我们只负责提供硬件啊。”
你们提供的硬件不能提高用户的体验度，要你们有什么用！
● “是他逼我拼硬件的……”
如果你要问这些GPU厂商，是什么导致他们如此简单粗暴的直接“用桌面的理论去解决移动领域的问题”，面面相觑的他们肯定会一脸无辜的告诉你——不是我们的错啊，是他们逼着我拼硬件的啊。
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代号KAL-EL的Tegra3
NVIDIA会说：“你看，我们推出的Gefroce ULP一点都不激进，甚至还采用了落后而陈旧的VS/PS分离构架，以及设计难度极高的异构思路，目的就是为了照顾手机和平板电脑特殊的体积和功耗需求。是我们的竞争对手主动挑起了事端，完全不顾移动领域的需求，用大得离谱的X2芯片来制造性能高出我们的产品很多的假象蒙骗消费者，我们是不得以才动用自己丰富的桌面显示技术储备来应战的啊。而且即便如此，我们的回应也是极其理性和克制的，我们使用了能够使用的最先进的半导体工艺，最大限度的压制了我们产品的性能以适应移动设备的体积和功耗要求，我们甚至还联合操作系统供应商推出了全新的改善用户体验的3D界面，3D界面啊！”
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Imagination公司logo
Imagination则会说:“一切都是NVIDIA的错，是它首先裹挟着大量火力凶残的桌面3D显示技术，声势浩大的大举入侵手机及平板电脑领域的，不信你看Tegra1代的GPU，连调整都没有就直接放出来四处开炮了。再看它对Tegra2的宣传，那里面的Geforce ULP被说成了性能超越我们前代产品一大截的大规模杀伤性武器，我们出多核心高功耗的大芯片也是万般无奈啊。它来之前一切都很好，我们自家的SGX发展一直都很节制，充分照顾了移动设备的各种特殊需求，TBDR这种极度节约显存带宽和容量的技术就是明证。可是NVIDIA来了，并且气势汹汹的要吃掉我们，我们不得已才被迫放弃了自己的发展轨迹，转而跑去跟它在纯硬件规模领域血拼的啊。麻烦你转告NVIDIA，当年在桌面领域输给它也就算了，现在它竟然又跑到移动领域来找我们的麻烦，为了生存，我们一定会血战到底的，甚至推出个SGX745MP128也绝对在所不惜！”
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夹在中间的安卓
手机及平板电脑厂商则更加无奈：“它们各个都那么冲动，动不动就青筋暴起的跑到我们面前来让我们评评谁更强谁更快，现在甚至发展到了6个月就有新品，12个月就要换构架的地步。硬塞给我们的新GPU我们哪能不用啊，可是前一个明明挺好用的GPU我们都还没有吃透呢，这样子下去我们没办法针对硬件提供适当的优化，用户体验度不可能上升啊。求求你们快劝劝它们吧，别在那么冲动啦。”
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用户的利益成了皮球
皮球踢到最后，硬件厂商为了生存以及各自的利益拼命地推陈出新，制造商则因为高速的硬件更新换代而无法进行透彻深入的软件及系统性能优化，用户体验度的问题在诸多利益之下成了无关紧要的牺牲品。
● iPad2不是陷阱，而是沙虫
其实如果一切都正常平顺的发展的话，手机和平板电脑因为其体积因素，本来是可以成为3D显示领域无尽画质陷阱的解药的。通过在《特效消耗是无尽陷阱?游戏画质现状解析》中的讨论我们不难发现，较低的分辨率能够大幅降低特效实现对材质的需求，待处理像素数的大幅下降也直接降低了沙子-沙漠效应发展的速度。在手机及平板电脑平台上，人们本来是很有可能看到比桌面更加趋近于真实的光影效果的。
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手机及平板电脑平台的UE3引擎
然而随着傻孩子苹果生出iPad2，新的灾厄蔓延到了整个移动领域。我们不仅丧失了解决数学的暴力性与特效之间矛盾的机会，而且还迎来了一个全新的无尽陷阱，这次的陷阱甚至比画质特效的那个更加凶残。
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恐怖的破沙而出的沙虫
老一辈的玩家和科幻迷都知道DUNE，在这部经典同名科幻小说改编游戏的世界中，沙丘行星上存在着一种名为沙虫的恐怖生物，他们体型极其巨大，身体的整个前部都是可以张开的血盆大口，口中的喉齿甚至可以吞噬并咬碎坦克。沙虫们潜伏在沙丘行星漫无边际的沙漠中，随时都可能突然出现，夹带着强烈的与沙粒摩擦产生的静电闪电，无情的吃掉一切落入它们口中的东西。
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我们会不会掉进另一个更恐怖的陷阱
现在出现在我们面前的这个无尽陷阱，就好像一条沙虫。硬件厂商用桌面的思路来解决移动世界的问题，势必会导致硬件的快速膨胀，这种膨胀会将对画质的需求快速拉升到与桌面比肩的地步，这会让移动显示领域重演桌面特效的悲剧，沙虫深邃的血盆大口就是这画质特效的无尽陷阱。而沙虫的喉齿则构成了陷阱中致命的第二个因素——移动领域的GPU如果一味的效仿桌面，依靠规模来解决问题，将会很快的将设备本身的体积和功耗推向一个离谱的高度，而这将会让本已处于半透支状态的电池业界彻底推向绝望的深渊。我们在上周所面对的那个高科技手表和手提箱电池的笑话，将会非常凄凉的变成现实。如果手机及平板电脑界发展到这一步，那基本上就相当于被沙虫的喉齿碾压的坦克，整个行业将只有一个结局——支离破碎。
● 我们还能重归伊甸园么
手机和平板电脑领域，甚至桌面PC领域的最高目标其实都很简单，就是尽一切可能提升用户的体验度，更好的用户体验度可以帮助用户高效率的工作以及尽情的放松和享受。如果说伊甸园依旧存在的话，至高无上的用户体验度也许就是伊甸园的风景吧。
问题是，在这种硬件厂商疯狂前进的情况下，被逐出了伊甸园的我们，还能回得去么？
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被逐出伊甸园的人们
过快的更新节奏，没有时间吃透硬件并作出针对的优化，还有来自体积和功耗领域的重重危机，我实在难以想象我们还能够在这样的大环境下获得非常好的用户体验度提升。安卓平台的每一款产品硬件规格都不差，但不少产品甚至连最基本的界面流畅度都无法保证，苹果的IOS虽然用户体验度尚可，但那却又是建立在极高的系统封闭性基础之上的，而且从IOS最近更新中修正BUG的层次以及程度，比如耗电量急剧变化的IOS4.3.3来看，高速硬件更新使得IOS同样缺乏针对性硬件优化的时间，即便是封闭状态下的苹果，也已经处在了所能够承受的极限上了。这就是恶果，无比残酷却又真实的恶果。
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IOS4.3.3安装界面
想要放缓这一节奏，让硬件厂商根据实际需要“适度”的推出硬件，这显然也不是一条可行的道路。只有激烈的竞争才是厂商生存以及技术进步的第一要务，如果通过过多的限制让厂商大幅放缓进步的脚步，不仅图形界的发展会因此而矫枉过正，厂商自身的生存环境也将受到极大的影响，这无疑于杀鸡取卵。
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Open GL ES很难成为强大的约束性标准
在有限的可选方案中，制定强大、先进且具有约束力的行业规范和标准似乎可以在一定程度上缓解问题的发展。但最终，我们实际上只能期待硬件厂商和软件厂商再次将提升用户的最终体验度作为研发硬件的第一要务，只有厂商自身的自律以及自我修正才能真正的解决问题的根源。也许只有到了厂商自己平衡好用户需求以及竞争需要这两者之间的关系，并以用户为基础来提供产品的时候，我们才能够重返伊甸园吧。
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